Metodi FEM in 2D G. Puppo.

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1 Metodi FEM in 2D G. Puppo

2 Riassunto Autovalori e aliasing Membrana elastica
Problema di convezione-diffusione agli elementi finiti Problema di convezione-diffusione alle differenze finite Stabilizzazione

3 Autovalori esatti e approssimati
Per studiare l’andamento degli autovalori esatti del problema del filo elastico e degli autovalori approssimati, uso questa function: function [landa_exa,landa_disc]=autovalori_1d(n) % Calcola i primi autovalori esatti del problema del % filo elastico, e i corrispondenti % autovalori del problema discreto h=1/(n+1); for l=1:n landa_exa(l)=l^2*pi^2; landa_disc(l)=(2-2*cos(l*pi*h)); end landa_disc=landa_disc/h^2;

4 Ottengo questi risultati
N è il numero di nodi interni

5 N = 49 N. B.: Solo i primi autovalori sono approssimati con precisione

6 In due dimensioni l’andamento degli autovalori è simile
N è il numero di nodi interni per lato

7 Aliasing In questa sezione vorrei illustrare la rappresentazione delle autofunzioni del problema del filo elastico su una griglia. Considereremo il caso di una funzione che può essere risolta su una determinata griglia e il caso di una autofunzione troppo oscillante per essere individuata correttamente sulla griglia assegnata. Su una griglia con 9 nodi interni, quindi con 9 autovettori linearmente indipendenti, consideriamo le seguenti funzioni: u(x) = sin(7  x) u(x) = sin(10  x) u(x) = sin(11  x)

8 u(x) = sin(7  x) Il grafico di u(x) è: La griglia “vede” questi dati: Questi punti individuano l’autovettore sin( 7 π x j ), j = 1,…,9

9 u(x) = sin(10  x) Il grafico di questa funzione è: Quindi, su questa griglia, la funzione u(x) = sin(10  x) è equivalente alla funzione nulla La griglia “vede” questi dati:

10 u(x) = sin(11  x) Il grafico di questa funzione è: La griglia quindi non distingue fra queste due funzioni Questi valori però sono gli stessi che ottengo su questa griglia con la funzione u(x) = sin(9 π x): La griglia “vede” questi valori: La nostra griglia non distingue la funzione verde dalla funzione blu

11 u(x) = sin(14  x) La funzione blu ha gli stessi valori sulla griglia della funzione verde. Il sistema non distingue le due funzioni.

12 Membrana elastica Vogliamo risolvere il problema:
Abbiamo già calcolato la matrice di rigidità per questo problema. Dobbiamo creare una function che abbia in input il numero N dei nodi interni ad ogni lato, e in output la matrice di rigidità.

13 Costruzione della matrice
Costruisco la matrice di rigidità come matrice tridiagonale a blocchi Se N è il numero di punti interni di ogni lato, allora la matrice A h è una matrice N 2 per N 2, e i singoli blocchi sono N per N.

14 I blocchi I sono matrici identità N per N.
I blocchi G sono tridiagonali ed hanno la seguente struttura: Inizio dai blocchi sulla diagonale principale. Siccome ogni blocco occupa N righe, l’i-esimo blocco comincia alla riga: inizio=(i-1)*n+1; e finisce alla riga fine=i*n;

15 function a=laplaciano(n)
% A=LAPLACIANO(N) calcola la matrice del laplaciano % sul quadrato, con N nodi interni su ogni lato. b=ones(n-1,1); g=4*eye(n)-diag(b,-1)-diag(b,1); % g contiene i blocchi sulla diagonale for i=1:n inizio=(i-1)*n+1; fine=i*n; a(inizio:fine, inizio:fine)=g; end % costruisce le due diagonali lontane b=ones(n^2-n,1); a=a -diag(b,n) -diag(b,-n);

16 Metodo FEM in 2D Creare la matrice;
A questo punto, posso creare una function che risolva il problema agli elementi finiti della membrana elastica. Questa function deve: Creare la matrice; Creare il vettore di carico (per ora considero un carico uniforme) Risolvere il sistema lineare

17 Ottengo questo programma
function uquad=membrana_unif(n) % UQUAD=membrana(N) trova la soluzione del % problema della membrana elastica, sul % quadrato unitario, con N % nodi interni per lato, con un carico % uniforme h = 1/(n+1); a=laplaciano(n); b= -h^2*ones(n^2,1); u=a\b; …continua...

18 Attenzione! Il vettore soluzione u è un unico vettore colonna con N2 componenti. Per visualizzare la soluzione, devo riordinare i valori contenuti nel vettore u distribuendoli su un array bidimensionale

19 Visualizzare la soluzione
Trasformare il vettore soluzione u in un array bidimensionale che dia la soluzione in ogni punto del quadrato Aggiungere le condizioni al contorno. Fare un grafico con il comando mesh

20 Quindi la function membrana_unif deve contenere anche queste istruzioni
% scrive u come array bidimensionale, a partire da (1,1) for i=1:n inizio=(i-1)*n+1; fine=i*n; uu(:,i)=u(inizio:fine); end % aggiunge le condizioni al bordo uquad(2:n+1,2:n+1)=uu; % aggiunge la cornice for i=1:n+2 uquad(n+2,i)=0; uquad(i,n+2)=0;

21 Per eseguire questo programma e visualizzare i risultati, devo dare i seguenti comandi:
>> uu=membrana_unif(9); >> mesh(uu) Ottengo la figura seguente:

22 Matlab stampa il grafico in funzione degli indici della matrice

23 Per avere le scale corrette sugli assi devo preparare dei vettori che contengano le coordinate dei nodi: >> x=linspace(0,1,21); >> y=linspace(0,1,21); >> mesh(x,y,u) N.B.: ci sono 21 nodi per lato, perché devo considerare anche i nodi sui bordi

24 Vorrei ora poter definire un carico più generale
Vorrei ora poter definire un carico più generale. Devo costruire una funzione f(x,y), che mi dia i valori di f sul quadrato >> f=inline('x.^2-y.^2'); >> x=linspace(-1,1,21); >> y=linspace(-1:1,21); Se pero’ora calcolo f(x,y) ottengo un vettore, perche’ Matlab valuta f(x(i),y(i)), per i che va da 1 a length(x): quindi otterrei un vettore con 21 componenti

25 Per ottenere la funzione sul quadrato devo dare i seguenti comandi
>> f=inline('x.^2-y.^2'); >> x=linspace(-1,1,21); >> y=linspace(-1:1,21); >> [xx,yy]=meshgrid(x,y); >> fxy=f(xx,yy); L’ istruzione meshgrid crea la matrice xx e la matrice yy che contengono le ascisse e le ordinate di ogni punto della griglia

26 Posso ora dare la funzione che calcola la deformazione della membrana, con un carico assegnato
function uquad=membrana(f,n) % UQUAD=membrana(N) trova la soluzione del % problema della membrana elastica, sul % quadrato unitario, con N % nodi interni per lato, con un carico % assegnato tramite la funzione f(x,y) a=laplaciano(n); h=1/(n+1); % Calcola il carico sui nodi interni del quadrato: x=linspace(0+h,1-h,n); y=linspace(0+h,1-h,n); [xx,yy]=meshgrid(x,y); fxy=feval(f,xx,yy);

27 Per impostare il sistema lineare, devo costruire il vettore dei termini noti, impostando il carico come vettore colonna, e moltiplicando per h 2 % Trasforma il carico come vettore colonna for i=1:n inizio=(i-1)*n+1; fine=i*n; b(inizio:fine)=h^2*fxy(i,:); end u=a\b';

28 Per visualizzare la soluzione devo procedere come prima, trasformando u nella matrice uu, definita sul quadrato, e aggiungendo le condizioni al bordo. % scrive u come array bidimensionale, a partire da (2,2) for i=1:n inizio=(i-1)*n+1; fine=i*n; uu(:,i)=u(inizio:fine); end % aggiunge le condizioni al bordo uquad(2:n+1,2:n+1)=uu; % aggiunge la cornice for i=1:n+2 uquad(n+2,i)=0; uquad(i,n+2)=0;

29 Ottengo questa figura, per 19 punti interni

30 Se ora desidero ottenere più dettagli, devo aumentare il numero di nodi su ogni lato del quadrato.
Se però dò questo comando: >> u=membrana(f,100); pianto il computer (o almeno il mio PC va in crisi…) Cercheremo prima di capire che cosa succede. Poi, nel capitolo sui metodi iterativi, vedremo come è possibile migliorare le prestazioni del nostro programma.

31 Esercizi Calcolare il tempo di esecuzione del programma della membrana per N=10, N=20, N=30, N=40, N=50. Con che velocità aumenta il tempo di esecuzione, rispetto ad N? (Usare polyfit per stimare l’andamento del tempo di calcolo) Modificare il programma membrana.m, in modo da assegnare condizioni al bordo di Neumann omogenee su uno dei lati del quadrato

32 Problema di convezione -diffusione
Vogliamo risolvere il problema: Qui β e’ il vettore velocita’, che considereremo costante. Chiamo (a,b) le componenti di β. Nel seguito considereremo sempre un carico uniforme, f(x,y)=1.

33 Metodo agli elementi finiti
Se uso elementi finiti, con elementi P1 su una triangolazione uniforme, ottengo una matrice con questa struttura:

34 Matrice di rigidità Costruisco la matrice di rigidità come matrice tridiagonale a blocchi Se N è il numero di punti interni di ogni lato, allora la matrice A h è una matrice N 2 per N 2, e i singoli blocchi sono N per N.

35 I blocchi G sono tridiagonali ed hanno la seguente struttura:
dove: I numeri di Peclet sono definiti dalle relazioni e:

36 I blocchi B sono bidiagonali ed hanno la seguente struttura.
Sopra la diagonale principale i blocchi sono: mentre sotto la diagonale principale abbiamo:

37 function mat_cd2d function a=mat_cd2d(n,nu,beta)
% A=MAT_CD2D(N,NU,[A,B]) calcola la matrice FEM % di convezione-diffusione sul quadrato, % con N nodi interni su ogni lato. % Nu e' la diffusione, BETA e' il vettore velocita'. betax=beta(1); betay=beta(2); h=1/(n+1); %ampiezza di griglia pex=betax*h/(2*nu) %numero di Peclet lungo x pey=betay*h/(2*nu) %numero di Peclet lungo y pex=pex/3; pey=pey/3;

38 % blocco diagonale b1=(-1+pex+2*pey)*ones(n-1,1); b2=(-1-pex-2*pey)*ones(n-1,1); g=4*eye(n)+diag(b2,-1)+diag(b1,1); % g contiene i blocchi sulla diagonale for i=1:n inizio=(i-1)*n+1; fine=i*n; a(inizio:fine, inizio:fine)=g; end % costruisce le quattro diagonali lontane b1=(-1+2*pex+pey)*ones(n^2-n,1); b2=(-1-2*pex-pey)*ones(n^2-n,1); a=a +diag(b1,n) +diag(b2,-n); c=(pex-pey)*ones(n^2-n+1,1); c(1:n:n^2-n+1,1)=0; a=a+diag(c,n-1)-diag(c,-n+1); a=nu*a;

39 Struttura del programma
La function che calcola la soluzione del problema di convezione-diffusione ha la seguente struttura Costruisce la matrice di rigidità. Costruisce il vettore di carico. Risolve il sistema lineare. Memorizza la soluzione su una matrice per permetterne la visualizzazione

40 FEM e Differenze Finite
Nel caso di carico uniforme e griglia uniforme, il metodo FEM e il metodo alle differenze finite si distinguono solo per la struttura diversa della matrice di rigidità. Uso quindi lo stesso programma per provare metodi diversi. In particolare: FEM : utilizza elementi P1 agli elementi finiti. DIF : utilizza differenze finite centrate UPW : è basato su differenze finite upwind SUP : costruisce il metodo agli elementi finiti SUPG stabilizzato

41 function membrana_cd function uquad=membrana_cd(n,nu,beta,metodo)
% UQUAD=membrana(N) trova la soluzione del % problema di convezione diffusione, sul % quadrato unitario, con N nodi interni per % lato, con un carico uniforme. % METODO='FEM' (default) utilizza la matrice % degli elementi finiti % METODO='DIF' utilizza la matrice alle % differenze finite centrali if nargin < 4 metodo='FEM' end Scelta di default

42 Sceglie il metodo da applicare:
h = 1/(n+1); if metodo=='FEM' %Metodo FEM a=mat_cd2d(n,nu,beta); elseif metodo =='DIF' %Metodo alle differenze finite a=mat_cd2d_fd(n,nu,beta); end

43 Risolve il sistema e memorizza la soluzione su un array bidimensionale
b=h^2*ones(n^2,1); u=a\b; % scrive u come array bidimensionale, a partire da (1,1) for i=1:n inizio=(i-1)*n+1; fine=i*n; uu(:,i)=u(inizio:fine); end

44 Aggiunge le condizioni di Dirichlet omogenee al bordo:
% aggiunge le condizioni al bordo uquad(2:n+1,2:n+1)=uu; % aggiunge la cornice for i=1:n+2 uquad(n+2,i)=0; uquad(i,n+2)=0; end

45 script script_2dcd Infine, uso questo script per lanciare il programma: % Calcola la soluzione del problema di convezione % diffusione e disegna la soluzione % METODO='FEM' (default) utilizza la matrice % degli elementi finiti % METODO='DIF' utilizza la matrice alle % differenze finite centrali n=19; nu=0.05; beta=[-1,1]; metodo='FEM' uquad=membrana_cd(n,nu,beta,metodo); x=linspace(0,1,n+2); y=linspace(0,1,n+2); mesh(x,y,uquad)

46 Ottengo questo grafico:
Direzione del vento

47 Cambiando la direzione del vento:

48 Diminuendo nu aumenta la ripidità della soluzione nello strato limite
I numeri di Peclet sono: pex = 0.8333 pey = I dati sono: n=19; nu=0.03; beta=[1,-1];

49 Diminuendo nu ancora, la soluzione comincia ad oscillare:

50 Esercizi Studiare il comportamento della soluzione in funzione del numero di Peclet. La comparsa delle oscillazioni spurie dipende dalla direzione del vento? Posso stabilire in base ad un unico parametro Pe = Pe (Pex, Pey) se ci saranno oscillazioni spurie? Studiare lo spessore dello strato limite in funzione di nu e di h, con β=(-1,0), calcolando la larghezza della regione in cui la soluzione varia dal suo valore massimo a zero.

51 Differenze Finite I comandi: n=19; nu=0.05; beta=[-1,1]; metodo=‘DIF'
lanciano la soluzione del problema di convezione-diffusione con il metodo delle differenze finite centrate. Qualitativamente, ottengo la stessa soluzione che avevo calcolato con gli stessi dati ed il metodo FEM.

52 La matrice di convezione-diffusione alle differenze finite ha una struttura diversa dalla matrice di rigidità degli elementi finiti: Infatti i blocchi fuori dalla diagonale principale sono diagonali.

53 Matrice alle differenze finite
La matrice alle differenze finite ha la stessa struttura tridiagonale a blocchi della matrice di rigidita’ agli elementi finiti:

54 I blocchi lungo la diagonale principale sono ancora tridiagonali:
Questa volta i coefficienti sono dati dalle seguenti formule:

55 I blocchi sopra e sotto la diagonale principale sono diagonali.
I blocchi sopra la diagonale principale sono: I blocchi sotto la diagonale principale sono:

56 function mat_cd2d_fd La function che crea la matrice per il metodo alle differenze finite è: function a=mat_cd2d_fd(n,nu,beta) % A=MAT_CD2D_FD(N,NU,[A,B]) calcola la matrice % alle differenze finite % di convezione-diffusione sul quadrato, % con N nodi interni su ogni lato. % Nu e' la diffusione beta e' il vettore velocita'. betax=beta(1); betay=beta(2); h=1/(n+1); %ampiezza di griglia pex=betax*h/(2*nu) %numero di Peclet lungo x pey=betay*h/(2*nu) %numero di Peclet lungo y

57 b1=(-1+pey)*ones(n-1,1); b2=(-1-pey)*ones(n-1,1); g=4*eye(n)+diag(b2,-1)+diag(b1,1); % g contiene i blocchi sulla diagonale for i=1:n inizio=(i-1)*n+1; fine=i*n; a(inizio:fine, inizio:fine)=g; end % costruisce le due diagonali lontane b1=(-1+pex)*ones(n^2-n,1); b2=(-1-pex)*ones(n^2-n,1); a=a +diag(b1,n) +diag(b2,-n); a=nu*a;

58 Anche con le differenze finite centrate ottengo oscillazioni spurie, se il numero di Peclet è troppo grande: n=19; nu=0.01; beta=[-1,1];

59 Metodo Upwind Quando  è molto piccolo rispetto a β, mi aspetto che il compor-tamento della soluzione del problema di convezione diffusione si avvicinerà a quella del problema iperbolico con =0. I metodi alle differenze finite per problemi iperbolici utilizzano discretizzazioni upwind per la derivata prima. Infatti un metodo basato sulla discretizzazione centrale risulta instabile. Mi aspetto quindi di poter migliorare la soluzione scegliendo una discretizzazione upwind della derivata prima anche per il problema di convezione diffusione.

60 Matrice Upwind La matrice alle differenze finite per il problema di convezione-diffusione con metodo upwind ha la stessa struttura della matrice alle differenze finite con differenze centrali

61 I blocchi sulla diagonale principale sono dati da:
Notare che rispetto alle differenze centrali è aumentato il peso della diagonale principale. Qui (a,b) sono le componenti del vettore . Inoltre:

62 I blocchi sulla sopradiagonale e sulla sottodiagonale sono dati rispettivamente da:

63 Considero il problema:
n=19; nu=0.01; beta=[-1,1] n=19; nu=0.01; beta=[-1,1] Soluzione alle differenze centrali Soluzione Upwind

64 Con il metodo upwind, ottengo una soluzione stabile anche se non c’è nessun punto di griglia all’interno dello strato limite. n=19; nu=0.001; beta=[-1,1]; I due numeri di Peclet valgono circa 25.